Oleh karena itu, pada penelitian ini menjadi alternatif, salah satu solusi yang dapat diterapkan adalah merancang desain kompor pembakar sampah yang menerapkan prinsip kerja ketel uap, di mana uap air dimanfaatkan untuk menghasilkan tekanan udara yang dimanfaatkan dalam proses pembakaran. Pendekatan ini lebih hemat biaya yang mana memungkinkan penggunaan limbah oli bekas lebih mudah diakses untuk mendapatkannya. Selain itu, sistem berbasis ketel uap cenderung lebih ramah lingkungan karena memanfaatkan energi panas secara optimal dan mengurangi ketergantungan pada perangkat mekanis yang memerlukan daya listrik serta memerlukan perawatan berkala.

Gambar 1.Diagram Alir Penelitian

Pada pengembangan konsep kompor ini, didasarkan pada konsep refrensi yang didesain oleh Annasruddin Pratama., Basyirun., Yohan Widhi Atmojo., Gilang Wahyu Ramadhan., Alif Rivan Hidayat, seperti ditunjukkan pada Gambar 2 10. Alat ini merupakan sebuah alat kompor (burner) berbahan bakar oli bekas, burner yang dirancang memiliki bentuk yang dapat dikombinasikan dengan blower untuk memperbesar nyala apinya. Dalam hal ini kompresor juga dapat digabungkan dalam penggunaan kompor/burner dalam menyediakan ketersediaan oksigen tambahan di sekitar area bahan bakar, yang mengarah pada pembakaran yang efisien dan nyala api yang lebih besar.

Gambar 2.Referensi Desain Kompor

Namun, sebuah inovasi menarik ditemukan dalam penelitian ini, yaitu penggantian blower dan kompresor dengan ketel uap sebagai sumber tekanan udara. Ketel uap, yang umumnya digunakan untuk menghasilkan uap dalam aplikasi industri, dapat dimodifikasi untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi. Udara bertekanan yang dihasilkan oleh ketel uap ini berpotensi untuk memperkuat semburan api pada kompor, dengan memanfaatkan tekanan uap sebagai alternatif dari perangkat mekanik seperti blower dan kompresor. Pendekatan ini tidak hanya mengoptimalkan pemanfaatan energi dari ketel uap, tetapi juga memberikan solusi yang lebih terintegrasi dan efisien dalam sistem pembakaran. Beberapa studi menunjukkan bahwa penggunaan ketel uap untuk memperkuat nyala api dapat meningkatkan efisiensi pembakaran dan menghasilkan pembakaran yang lebih bersih, dengan mengurangi ketergantungan pada perangkat eksternal seperti blower atau kompresor yang memerlukan energi listrik tambahan.

Perpindahan panas sendiri yakni ilmu yang memprediksi perpindahan energi akibat perbedaan temperatur antar benda atau material. Ilmu ini tidak hanya menerangkan bagaimana suatu energi panas berpindah dari benda ke benda lain, melainkan juga dapat memperkirakan laju perpindahan panas dalam kondisi tertentu12. Proses perpindahan panas yang terjadi pada ketel uap melibatkan tiga proses utama, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi merupakan salah satu metode yang fundamental dalam perpindahan panas, di mana energi termal berpindah melalui bahan padat akibat perbedaan temperatur tanpa menggerakkan zat tersebut. Dalam proses konduksi, partikel-partikel di dalam material berinteraksi, sehingga energi dari partikel yang lebih panas akan ditransfer ke partikel yang lebih dingin. Karakteristik ini sangat vital dalam banyak aplikasi, mulai dari memasak, di mana panas berpindah dari panci ke makanan, hingga dalam industri, di mana efisiensi perpindahan panas sangat mempengaruhi kinerja alat. Untuk menggambarkan laju konduksi panas dalam suatu material, kita dapat menggunakan rumus yang dikenal sebagai hukum Fourier.

(1)

dimana :

Q_kond: Laju perpindahan panas konduksi (W)

k: Konduktivitas termal material (W/m.K˚)

A: Luasan penampang material (m²)

ΔT: Selisih temperatur (˚C)

Δx: Selisih ketebalan material (m)

Konveksi adalah perpindahan panas yang melalui media fluida (cairan atau gas). Pada ketel uap sendiri perpindahan secara konveksi terjadi antara gas panas hasil pembakaran dengan permukaan pipa/plat dan antara air dengan permukaan pipa/plat. Rumus perpindahan panas konveksi adalah :

(2)

dimana :

Q_konv: Laju perpindahan panas konveksi (W)

h: Koefisien perpindahan panas konveksi(W/m2.˚C)

A: Luas permukaan(m2)

ΔT: Selisih temperatur(˚C)

Radiasi adalah perpindahan panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada penerapanya pada ketel uap proses perpindahan panas secara radiasi terjadi saat gas hasil pembakaran dan nyala api mengenai permukaan dinding dari ketel uap. Adapun rumus perpindahan panas radiasi adalah :

(3)

dimana :

σ: Konstanta Stefan-Boltzmann(W/m2.˚C4)

ϵ: Emisivitas material

A: Luasan permukaan(m2)

T₁ dan T₂: Temperatur absolute permukaan dan lingkungan(˚C)

ketel uap merupakan sistem tertutup yang mengubah energi panas menjadi energi uap melalui proses perpindahan panas. Dalam hal ini, efisiensi dari suatu ketel uap sangat bergantung pada usaha sistem dalam mengubah panas dari sumber panas ke air. Uap yang dihasilkan oleh ketel sendiri dapat dimanfaatkan untuk beberapa aplikasi, seperti penggunaannya seebagai sumber tenaga pada mesin uap dan turbin, sebagai penyedia tekanan rendah untuk mendukung proses produksi industri(pabrik gula, dll)13. Dalam perancangan ketel uap sederhana terdapat beberapa parameter utama yang perlu dihitung:

(4)

Ket :

ṁ: Laju produksi uap(kg/jam)

Q: Laju perpidahan panas(kW)

H_fg: Enthalpi penguapan(kJ/kg)

Bahan bakaaar pada ketel uap memiliki berbagai macam jenis, tergantung pada jenis ketel, kebutuhan energi serta ketersediaan sumber daya/bahan bakar. Bahan bakar yang dapat digunakan untuk sumber panas antara lain yakni, bahan bakar padat (batubara, kayu bakar, briket,dll) kemudian ada bahan bakar cair (solar, minyak tanah, kerosin,dll), ada juga yang berbahan bakar gas (gas alam, LPG). Untuk kebutuhan bahan bakar dapat dihitung dengan rumus.

(5)

Ket :

ṁ_fuel: Laju konsumsi bahan bakar(kg/jam)

Q: Laju perpindahan panas(kW)

HV: Nilai kalor bahan bakar(kJ/kg)

ղ: Efisiensi pembakaran (%)

Dalam perancangan ketel uap, aspek yang harus diperhatikan adalah ketebalan plat yang digunakan sebagai dinding bejana. Ketebalan plat mempengaruhi kekuatan struktur ketel uap dala menahan tekanan uap yang dan menjaga keamanan opeasional. Ketebalan minimum plat ditentukan berdasarkan tekanan maksimum, diameter ketel, serta material yang akan digunakan. Oleh karena itu, ketebalan ketel uap harus dirancang secara teliti agar ketel uap dapat dinyatakan aman pada saat beroperasikan14. Ketebalan minimum atau tekanan kerja maksium yang diizinkan dari dinding silinder harus lebih besar atau lebih kecil dari tekanan yang diberikan oleh tegangan keliling. Ketika ketebalan tidak melebihi setengah dari radius dalam, atau P tidak melebihi 0,385SE, maka berlaku rumus berikut ini.

(6)

Ket :

t: Ketebalan minimum dinding yang dibutuhkan (mm)

P: Tekanan desain internal

R: Jari-jari dalam dari dinding

S: Tegangan maksimum yang diperbolehkan dari material

E: Efisiensi sambungan las

Jika fungsi sebuah kompresor yang menghasilkan tekanan digantikan dengan ketel uap, maka ketel tersebut harus mampu menyediakan tekanan yang setara agar dapat berfungsi dengan optimal. Ketel uap merupakan komponen utama dari sistem pembakar sampah organik yang memanfaatkan oli bekas dan air sebagai bahan bakar alternatif. Untuk mencapai hal ini, ketel uap harus dirancang dengan sistem yang dapat menghasilkan dan mengatur uap secara stabil, memastikan suplai yang konsisten, serta mempertahankan kinerja yang baik. Desain ini bertujuan untuk memastikaan terjadinya perpindahan panas yang optimal dari bahan bakar ke air yang dididihkan sehingga menghasilkan uap dengan suhu dan tekanan yang sesuai dalam menggantikan peran kompresor/blower.

Gambar 3.Desain Awal Ketel Uap

Ketel uap bekerja dengan memanfaatkan panas hasil pembakaran oli bekas dan air untuk mengubahnya menjadi uap. Proses ini terbagi menjadi 2 tahap, yakni.

Ada beberapa komponen ketel yang dibutuhkan dalam desain ini, hal tersebut berjuan agar keetel uap dapat berfungsi secara maksimal. Adapun komponen yang diperlukan, yakni.

Berikut adalah tabel yang merinci kelebihan dan kekurangan dari penggunaan berbagai komponen dalam sistem kompor pembakar sampah, khususnya yang melibatkan kompresor, blower, dan ketel uap untuk menghasilkan tekanan udara yang dapat memperkuat semburan api. Sistem ini dirancang untuk meningkatkan efisiensi pembakaran dengan cara mempercepat aliran udara yang masuk ke dalam ruang bakar, yang memungkinkan proses pembakaran terjadi lebih cepat dan lebih sempurna.

Tabel 1. Kekurangan dan kelebihan masing-masing penggunaan komponen

Untuk mencapai tekanan yang mengacu pada besarnya tekanan yang dikeluarkan oleh kompor bertekanan tinggi, maka ketel uap yang dirancang mampu menghasilkan tekanan sebesar 30 psi atau sama dengan 2 bar. Sehingga proses perancangan melibatkan perhitungan kapasitas ketel, kebutuhan uap serta konstruksi ketel. Untuk pemodelan awal didasarkan pada pengamatan dan telah diperhitungkan. Spesifikasi awal perencanaan ketel dapat disebutkan sebagai berikut.

Pemilihan material sebagai bahan pembuatan ketel uap didasarkan pada materialnya yang tahan karat serta memiliki kekuatan mekanik yang memadai sehingga cocok untuk aplikasi ketel uap skala kecil. Berikut spesifikasi bahan yang digunakan untuk pembuatan ketel.

Tabel 2 Spesifikasi material ketel uap

Kapasitas ketel uap ditentukan berdasarkan volume total dan volume air yang akan diisikan.

Dengan pengisian air tidak lebih dari 60% yang bertujuan agar dapat memiliki ruang ekspansi bagi uap yang cukup. Hal ini diperhitungkan agar dalam praktiknya desain ketel mencegah kelebihan volume sehingga air memasuki pipa saluran uap.

Untuk laju produksi uap pada ketel:

dalam memperhitungkan laju produksi uap, perencaanan material elemen pemanas (bidang yang terkena panas) yang digunakan adalah stailess steel 201 yang direnacakan sehingga dapat mengubah air menjadi uap pada suhu 100 ˚C(pada 1 atm). Maka langkah pertama yang dilakukan yaitu menghitung luas permukaan elemen pemanasnya. Sedangkan komponen yang terkena panas yakni alas dari ketel uap dan juga cerobongnya. Komponen pertama, alas ketel berbentuk persegi (sesuai yang direncanakan) dengan panjang tiap sisi (S) = 40 cm, maka luas permukaan yang terkena panas dapat diketahui.

dengan memperhatikan spesifikasi pada tabel 2 kemudian dilanjutkan pada perhitungan laju perpindahan panas, diketahui suhu titik didih air sebesar 100 ˚C(T_akh) dan suhu mula-mula air sebesar 25 ˚C (T_aw). Perbedaan suhu (∆T) kemudian dapat diketahui, yakni sebesar (∆T = T_akh – T_aw = 100 – 25 = 75 ˚C). Setelah diketahui nilai besaran perbedaan temperatur dilanjutkan menghitung laju perpindahan panasnya menggunakan rumus.

diketahui nilai konduktivitas termal material (k) untuk Stainless Steel201 adalah 16,2 (W/m²K) dengan tebal plat (∆x) 2mm (direncanakan). Maka

sedangkan untuk besaran nilai laju perpindahan pada bagian cerobong didapatkan dengan cara sama seperti perhitungan di atas. Diketahui diameter pipa (D) 5,8 cm dengan panjang/ketinggian pipa yang terkena air (L) 20 cm dengan ketentuan tidak sampai melebihi tinggi pipa saluran uap dengan material dan ketebalan yang digunakan sama seperti perhitungan sebelumnya. Sama seperti langkah di atas mencari nilai luas dari permukaan elemen panas(pipa cerobong) dan laju perpindahan panasnnya.

Jadi, untuk laju perpindahan panas dari komponen cerobong sebesar.

Total keseluruhan laju perpindahan panas dari elemen pemanas dapat diketahui sebesar.

Pada langkah terakhir menentukan jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah 1kg air menjadi uap dengan menggunakan panas laten penguapan sebesar 2257 kJ/kg pada suhu sekitar 100˚C. Sedangkan besar laju produksi uap (ṁ) dalam satuan kg/jam dengan membagi laju perpindahan panas (Q) dengan kapasitas panas (C) dan mengkonversikannya ke kg/jam maka berlaku rumus.

Jadi, diketahui untuk laju produksi uap di dalam ketel sekitar 0.0170 kg/s

Kebutuhan energi (bahan bakar) ketel uap untuk mempertahankan produksi uap sebesar 0,0170 kg/s diperlukan pasokan energi berupa panas sebesar 38.382 W. Dengan besar nilai kalor oli jika diasumsikan memiliki nilai kalor sebesar 38 MJ/kg 15. Maka untuk menghitung kebutuhan dari bahan bakar untuk ketel juga perlu dihitung jika efisiensi pembakaran dari bahan bakar 60% (diasumsikan).

Untuk memenuhi standar untuk desain bejana bertekanan, ketebalan minimum dinding ketel dihitung menggunaakan beberapa parameter desain yang meliputi tekanan kerja (P = 2 bar (0,2 MPa direncanakan), jari-jari dalam desain ketel ini dianggap menggunakan panjang sisi terjauh dari titik tengah bejana itu sendiri (R) = 20 cm, tegangan material (S) = 50 MPa (pada suhu 100 ˚C untuk Stainless Steel201), efisiensi las (E) = 0,7. Setelah didapatkan parameter dalam perhitungan kemudian dapat dinyatakan:

Gambar 4.Menentukan tebal dinding

Agar memastikan ketel mampu menahan tekanan kerja sebesar 2 bar dengan aman sekaligus memberikan ketahanan terhadap korosi, perlu ditambahkan factor korosi (C) = 1 untuk memberikan margin keamanan tambahan terhadap korosi. Jadi ketebalan material yang aman digunakan untuk dinding ketel yakni t = 1,14 mm + 1 = 2,14 mm.

Setelah dilakukan langkah perhitungan di atas, maka didapat perolehan nilai yang disajikan pada tabel berikut.

Tabel 3. Hasil Perhitungan

Dari perhitungan dan perencaan di atas maka ditetapkan Komponen utama yang diperlukan untuk membangun sebuah kompor bertenaga ketel uap sederhana terdiri dari beberapa bagian penting.

Semua komponen ini harus dirancang menggunakan material yang tahan panas dan korosi agar kompor dapat bekerja secara efisien dan memiliki daya tahan yang baik.

Tabel 4. Spesifikasi Komponen Kompor

Ketel uap dirancang berbentuk kubus dengan dimensi 40 × 40 × 40 cm, yang memberikan volume total sebesar 0.064 m³. Sistem kompor pembakar sampah organik ini beroperasi melalui rangkaian komponen yang terintegrasi, mulai dari proses pembakaran bahan bakar hingga pembuangan gas sisa. Proses dimulai dengan pembakaran oli bekas dalam ruang pembakaran, yang menghasilkan energi panas untuk memanaskan air di dalam ketel uap. Ketel uap berfungsi sebagai wadah pemanas yang mengubah air menjadi uap bertekanan tinggi setelah mencapai titik didih. Uap yang dihasilkan kemudian dialirkan melalui pipa saluran uap menuju nosel, yang berfungsi sebagai penyemprot uap bertekanan tinggi ke dalam ruang pembakaran kemudian disalurkan lagi menuju cerobong. Penyemprotan ini meningkatkan suplai udara dan oksigen di sekitar nyala api, sehingga memperkuat intensitas pembakaran.

Gambar 5.Desain Kompor Pembakar Sampah

Gambar 6.Hasil Desain Kompor

(Gambar 7) menunjukkan gambaran alur dari sistem pembakaran dialirkan ke ketel uap untuk menghasilkan uap bertekanan, yang kemudian digunakan untuk meningkatkan pembakaran. Sistem ini dirancang dengan mempertimbangkan efisiensi termal, keamanan, dan keberlanjutan. Pemilihan material, parameter desain menjadi bagian penting untuk memastikan ketel uap bekerja dengan baik dalam tekanan kerja tertentu, sehingga mampu menghasilkan pembakaran yang efisien dan aman. Kompor pembakar sampah dengan sistem ketel uap dirancang untuk meningkatkan efisiensi pembakaran sekaligus memanfaatkan energi secara optimal. Ketel uap dipilih karena mampu menghasilkan tekanan udara yang dapat memperkuat nyala api tanpa memerlukan perangkat mekanik tambahan seperti blower atau kompresor.

Gambar 7.Diagram Sistem Kompor

Untuk mengetahui bahwa desain yang dibuat efektif dalam menghasilkan semburan yang mirip dengan aliran udara dari kompresor atau blower maka dilakukanlah proses uji aliran fluida sehingga dapat mengetahui nilai kecepatan alirannya. Berdasarkan hasil perhitungan serta maka dilakukan dengan metode CFD proses pengujian dari desain yang dibuat dengan menggunakan software SolidWork Flow Simulation, dengan analisis serta perhitungan awal guna menentukan parameter-parameter yang dibutuhkan sebagai acuan pada simulasi. Kemudian didapat parameter pada Tabel 3 dan diperoleh hasil simulasi ditunjukkan pada (Gambar 8). Hasil analisis menunjukkan bahwa aliran uap dengan laju massa sebesar 0,0170 kg/s dengan tekanan kerja 2 bar melalui pipa berdiameter 3/4 inch dan nozzel berdiameter dalam 4 mm menunjukkan kecepatan aliran sebesar 52,8 m/s yang dapat ditunjukan pada aliran yang berwarna biru yang mengalir sepanjang saluran pipa. Distribusi kecepatan aliran bervariasi dari 52,8 m/s hingga 531 m/s dengan perbedaan kecepatan yang signifikan pada pipa menuju ke nozzel. Hal ini mengindikasikan adanya percepatan aliran saat mendekati nozzle, yang disebabkan oleh penyempitan diameter saluran sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem saluran pada pipa dapat menghasilkan perubahan energi termal dari kompor menjadi energi kinetik uap yang dikeluarkan melalui nozel.

Gambar 8.Hasil Flow Simulation

Nilai kecepatan tertinggi terjadi di dekat nozzel yang ditunjukkan oleh aliran yang berwarna merah, sementara kecepatan terendah berada di area awal pipa. Hasil ini sesuai dengan prinsip venturi, dimana penyempitan saluran meningkatkan kecepatan aliran fluida (uap). Dengan demikian, desain sistem ini mampu menghasilkan aliran uap berkecepatan tinggi guna membantu memperkuat semburan pada kompor.

Ucapan terima kasih sebesar-besarnya diucapkan kepada kedua orang tua yang senantiasa sabar menunggu penyelesaian penelitian untuk menuju kelulusan penulis. Kedua, mengucapkan banyak terima kasih kepada dosen pembimbing skripsi serta dukungan dari semua teman-teman yang membarengi proses penelitian khususnya keenam kawan penulis yang sangat istimewa.

[2]N. Utaminingsih and A. R. Cangara, “The half-dead of earth,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol. 575, no. 1, 2020, doi: 10.1088/1755-1315/575/1/012250.

[3]Direktorat Jenderal Pengelolaan Sampah Limbah dan Bahan Beracun Berbahaya, “Statiska 2019,” Dinas Lingkung. Hidup dan Kehutan., p. 16, 2019.

[4]M. Algusri, “Thermoelectric Untuk Daya Blower Pemanas Kandang Ayam Oli Bekas,” Sigma Tek., vol. 2, no. 1, p. 106, 2019, doi: 10.33373/sigma.v2i1.1896.

[5]P. E. T. Berbahan, B. Oli, A. Hata, I. Azmy, and H. D. Adityo, “6825-27818-2-Pb,” vol. 9, no. 2, 2023.

[6]Wijianto, “Variasi Kecepatan Aliran Udara Pada Tungku Gasifikasi Limbah,” 4th Universty Res. Coloquium 2016, pp. 43–48, 2016.

[7]R. Bangun, T. Pembakar, S. Organik, M. Metode, E. Forced, and C. Amin, “Program studi teknik mesin fakultas teknik dan informatika universitas pgri semarang 2022,” 2022.

[8]I. Febriana, Yuka Fari Saputra, Najib Nursal Alfarabi, Erlinawati, and I. Yunanto, “Uji Kinerja Prototype Kompor Oli Bekas Ditinjau Dari Komposisi Oli Terhadap Laju Alir Bahan Bakar,” J. Redoks, vol. 9, no. 1, pp. 62–68, 2024, doi: 10.31851/redoks.v9i1.13143.

[9]G. W. Ramadhan and B. Basyirun, “Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Temperatur Pembakaran Oli Bekas pada Kompor,” J. Din. Vokasional Tek. Mesin, vol. 5, no. 2, pp. 163–168, 2020, doi: 10.21831/dinamika.v5i2.34804.

[10]A. Pratama, B. Basyirun, Y. W. Atmojo, G. W. Ramadhan, and A. R. Hidayat, “Rancang Bangun Kompor (Burner) Berbahan Bakar Oli Bekas,” Mek. Maj. Ilm. Mek., vol. 19, no. 2, p. 95, 2020, doi: 10.20961/mekanika.v19i2.42378.

[11]Alex Surapati, Angky Puspawan, Yanolanda Suzantry Handayani, and Fitrilina, “The Processing of LDPE Plastic Waste into Renewable Fuel Using Waste Motor Oil,” J. Ris. Teknol. Pencegah. Pencemaran Ind., vol. 14, no. 3, pp. 12–20, 2023, doi: 10.21771/jrtppi.2023.v14.no3.p12-20.

[12]J.-C. Han and L. M. Wright, “Heat Conduction Equations,” Anal. Heat Transf., pp. 1–19, 2022, doi: 10.1201/9781003164487-1.

[13]K. Asyari D. Yunus Teknik Mesin Universitas Darma Persada - Jakarta, Uap and S. Boiler, “Ketel uap (steam boiler),” Asyari D. Yunus Tek. Mesin Univ. Darma Persada - Jakarta.

[14]The American Society of Mechanical Engineers (ASME), “SECTION VIII 2023 ASME Boiler and Pressure Vessel Code Division 1,” 2023, [Online]. Available: www.asme.org/cer

[15]L. K. Mangalla, J. Teknik, M. Fakultas, T. Universitas, and H. Oleo, “OPTIMASI PEMBAKARAN OLI MESIN BEKAS DAN SOLAR DALAM TUNGKU VERTIKAL : SOLUSI BERKELANJUTAN UNTUK ENERGI DAN LINGKUNGAN,” pp. 20–24.